电感耦合等离子体质谱仪的基本结构及维护

孙家欣， 欧阳亚男， 张 任， 李 果

（1.成都产品质量检验研究院有限责任公司， 四川 成都 610000；2.珀金埃尔默医学诊断产品（上海）有限责任公司DX 部门售后服务， 上海 200000；3.中国质量认证中心成都分中心， 四川 成都 610000）

引言

在金属元素的分析中，常使用光谱法作为可靠的化学分析方式。20世纪80年代，第一台商用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）诞生后，其具有高灵敏度、干扰少、超痕量检测限、多元素同时分析等优点，在食品、环境、农业科学、生物科学等领域得到广泛应用[1]。同时，基于ICP-MS 技术，科学工作者发明制造出更多种类和用途的质谱仪，例如高效液相色谱和电感耦合等离子体质谱仪的联用，让元素形态分析变得更简单高效；激光烧蚀电感耦合等离子体质谱仪的联用可以直接对样品进行采样，缩短整个检验周期[2-3]。

1 ICP-MS 的技术特点

以应用广泛的四极杆质谱仪为例，具有长期稳定性，可以6 h 连续检测而仪器无须再次校正，同时还具有以下优势：灵敏度高、检出限低，可以进行多元素的快速定性和定量分析且结果稳定可靠；能够测定各元素的同位素，且与液相色谱仪联用可以测得元素不同形态含量；超80 种元素可使用半定量分析，且测定误差不超过20%，提高了检测效率；在常压下可与多种技术联用。

2 ICP-MS 的基本结构

电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）主要包括进样系统、ICP 离子源、接口、离子透镜和四极杆质量分析器[5]。

1）进样系统包括蠕动泵、雾化器和雾化室。ICP-MS常使用液体进样系统，通过蠕动泵以稳定转速提取样液至雾化器，将样液分散为无数均匀细小尺寸的气溶胶液滴，在雾化室中直径大于10μm 的液滴会被冷凝回流作为废液排除雾化室。截至目前，雾化器有同心型雾化器、正交型气动雾化器、PTFE 高灵敏雾化器等类型。同心型雾化器适用于测定低含量，不含HF 的无颗粒物的样液；正交型气动雾化器适用于样品含量高的样液，且雾化器耐用基本不用维护；PTFE 高灵敏雾化器则适合希望提高灵敏度的有颗粒且含量较低的样液。

2）ICP 离子源包括射频发生器、负载线圈和矩管。等离子体矩的产生是由射频发生器产生高频电流，通过感应线圈形成高频磁场，从而输送高频电流给等离子体炬，以维持等离子体。由铜管制做的负载线圈环绕成2 匝或3 匝3 cm 大小螺旋环缠绕在三重同心圆设计矩管外侧将等离子限制在炬管内。由于等离子体温度在1 000 ℃以上，易让矩管熔化，因此在矩管外层管与中层管间以一定流速通入冷却气（氩气）。

3）提取接口。接口将ICP 离子源与质谱仪相互连接，将电离后的离子有效完整地输送到质谱仪。现在的ICP-MS 多采用双锥的设计，即采样锥和截取锥。以两个锥为分界线，等离子体端是高温常压环境，另一端是真空常温洁净的环境。大多都使用镍锥。截取锥在采样锥后，在同一轴线上，两者相距6～7 mm，通常也由镍材料制成，截取锥比采样锥的角度更小，以便在尖口边缘形成的冲击波最小。其作用是选择来自采样锥孔的膨胀射流的中心部分，并让其通过截取锥进入下一级真空[4-5]。

4）离子透镜位于截取锥后，是由一组或多组静电控制的透镜组成。离子透镜的作用就是利用离子的带电性质，通过加压产生电场使离子偏转筛除非目标物质，从而净化离子流，将目标离子送至质量分析器。

5）质量分析器通常为四极杆分析器，可以实现质谱扫描功能。四级杆由四根平行的不锈钢杆组成，同时在其上施加电压产生电场，按照不同质荷比进行分离，使分析器只能通过特定质荷比的离子，从而达到离子分离。四极杆的电压随周期不断变化，变化的周期对应着特定的质量数，因此通过不断地变化频率就可把被测离子筛选出来[6]。

3 仪器的日常维护

氩气（纯度和压力）。氩气的纯度要求大于99.996%，供给机器分压达到0.7～0.8 MPa，过小不足以达到冷却效果，过大会影响等离子体矩的稳定。

仪器使用环境要求洁净无腐蚀、无污染和无振动，避免日光直接照射，放止仪器温度过高老化速度加快，冬天应防止循环水结冰；室温在18～35 ℃，最佳为（20±2）℃，温度变化率＜3.0 ℃/h，湿度在20%～80%；仪器最佳的工作温度为（20±2）℃，湿度范围为45%±5%；实验室应该保持洁净。

进样系统的维护主要是对蠕动泵和泵管（样品管和内标管）的维护。蠕动泵是否匀速连续的转动，跟随电脑指示改变转速；当泵管老化时，样品不能泵入，导致CPS 低且不稳定，废液无法排出堆积在雾化室，导致进入等离子体样液过多减弱电离效果，影响测试结果，因此在每次使用后应及时松开泵管，防止泵管被长时间拉伸松弛，定期更换泵管；当管中有盐积累，会导致泵管中有气泡产生，内标不稳定，影响检测结果，建议用5%硝酸溶液正反冲洗，没有改善则更换。

矩管、雾化器和雾化室。雾化器毛细管直径很小，若处理不完全导致样液中含有固体颗粒，容易堵造成塞，因此样液建议过滤后上机。当雾化器堵塞，采用液体或氩气进行反冲，不可超声，易使毛细管断裂损坏雾化器。若雾化室有液体或盐吸附在璧上，拆下用10%硝酸溶液浸泡过夜或酸煮30 min 后超纯水清洗使用。矩管处理方法同上。

采样锥和截取锥。锥口出现积盐和积碳的现象，导致锥口变小，影响样品采集，用棉签蘸取2%硝酸溶液轻缓地擦拭锥面、锥孔及锥背，不可用力擦洗锥孔周围导致锥孔变形，直到积盐和积碳被擦拭干净，再用超纯水进行冲洗，自然晾干。

真空泵油和冷凝水。泵油颜色为深褐色时需更换。冷凝水需要定期更换，一般一年一次。当循环水机中出现沉淀时，应及时清洗沉淀，更换冷凝水，同样加入的高度需在合理范围内。